兒童電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)之LED

電子產(chǎn)品是當(dāng)今的熱門(mén)話題，孩子們渴望掌握這一有趣且重要的技術(shù)分支的基礎(chǔ)知識(shí)。這是為孩子們準(zhǔn)備的基礎(chǔ)電子課程，它將教他們基礎(chǔ)知識(shí)并以簡(jiǎn)單有趣的方式激發(fā)他們的興趣。

今天的電子產(chǎn)品是可編程的

今天的電子產(chǎn)品與昨天有很大不同。年輕人在學(xué)習(xí)現(xiàn)代技術(shù)的新概念方面具有優(yōu)勢(shì)。事實(shí)上，它與過(guò)去有很大不同，原因有幾個(gè)，其中最重要的是能夠?qū)﹄娮与娐返男袨檫M(jìn)行編程。自動(dòng)電路編程的可能性是今天以前不存在的附加值。一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)現(xiàn)在由自動(dòng)裝置、指示器和傳感器組成，只需一個(gè)小型微控制器就可以創(chuàng)建，而在過(guò)去，需要具有數(shù)千個(gè)電子元件的大型電路。由于這個(gè)原因，年輕人的邏輯能力非常接近自動(dòng)系統(tǒng)的行為?？梢赃@么說(shuō)，目前的學(xué)校為學(xué)生提供了許多學(xué)習(xí)新方法的時(shí)間，例如編碼、SAM Labs（參見(jiàn)圖 1）是一種獨(dú)一無(wú)二的編碼資源，包括尖端編碼軟件、簡(jiǎn)單的藍(lán)牙連接硬件、符合標(biāo)準(zhǔn)的課程組合以及無(wú)限的建議和支持。這是一種教授 STEAM 和編碼的前沿方法。它易于使用和理解，鼓勵(lì)學(xué)生的參與和信心，促進(jìn)創(chuàng)造力和批判性思維，并具有實(shí)際應(yīng)用。學(xué)生可以使用 SAM Studio 的基于塊的拖放編碼來(lái)開(kāi)發(fā)復(fù)雜的系統(tǒng)，這些系統(tǒng)可以移動(dòng)、點(diǎn)亮并與環(huán)境交互，并且新項(xiàng)目可以移動(dòng)、點(diǎn)亮并與環(huán)境交互，這要?dú)w功于通過(guò) SAM 塊連接藍(lán)牙。該方法允許學(xué)生快速輕松地創(chuàng)建和學(xué)習(xí)，從小就引入概念，使用編碼和原型設(shè)計(jì)解決方案。學(xué)生可以使用編碼和原型設(shè)計(jì)解決方案快速輕松地創(chuàng)建和學(xué)習(xí)。甚至沒(méi)有意識(shí)到，孩子們正在學(xué)習(xí)科學(xué)原理。例如，創(chuàng)客專(zhuān)業(yè)課程使 K -8 教師能夠支持他們孩子的基于活動(dòng)的學(xué)習(xí)、探索和原型設(shè)計(jì)。

該公司提供了幾個(gè)工具包，每個(gè)工具包都有特定的用途，專(zhuān)門(mén)用于一定程度的準(zhǔn)備和難度。孩子們可以使用和編程交互式積木，例如，執(zhí)行某些任務(wù)。對(duì)象必須執(zhí)行的一組動(dòng)作可以使用代碼進(jìn)行編程。這些是與樂(lè)高積木兼容的小型可編程積木，可通過(guò)藍(lán)牙連接到您的設(shè)備、計(jì)算機(jī)或平板電腦。帶有微型 USB 連接器的可充電電池為每個(gè)模塊供電。這些塊由橡膠外殼保護(hù)，并且非常耐沖擊。這些積木是無(wú)線的，不需要觸摸或用電線連接，不使用的積木會(huì)被關(guān)閉，以讓課程持續(xù)大約一周。

兒童電子產(chǎn)品

對(duì)電子產(chǎn)品的興趣可以從 6 歲或 7 歲開(kāi)始，盡管不是每個(gè)人都適合。許多孩子被閃爍的燈光、旋轉(zhuǎn)的馬達(dá)和發(fā)聲設(shè)備迷住了。

出于這個(gè)原因，在玩了他們最喜歡的玩具幾分鐘后，他們會(huì)進(jìn)入下一個(gè)有趣的階段，即拆卸，看看里面有什么。

電子產(chǎn)品已融入當(dāng)今兒童的血液中。處理手機(jī)或遙控器對(duì)他們來(lái)說(shuō)很自然。這篇和后續(xù)的兒童電子系列文章將涵蓋非?；镜碾娮訉W(xué)主題，完全安全。只需遵循理論或使用實(shí)際電子元件創(chuàng)建實(shí)際連接，就可以很容易地理解電路，所有這些都是現(xiàn)成的。如果他們?cè)敢猓⒆觽円部梢韵虼笕藢で髱椭?。小而?jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)可以在有趣和安全的操作中點(diǎn)燃激情。開(kāi)始執(zhí)行電子組裝將需要工具和組件。以下是最重要的列表：

一些電子元件（電阻器、發(fā)光二極管 [LED]、燈泡、電容器、開(kāi)關(guān)等）。在每個(gè)單獨(dú)的實(shí)驗(yàn)時(shí)將要求各種值

單芯電纜配有鱷魚(yú)夾，以便輕松連接

5V 扁平電池

一個(gè)簡(jiǎn)單的測(cè)試儀

電路

要了解電子學(xué)的一些基本要素，必須接近構(gòu)成電路基礎(chǔ)的最小理論。事實(shí)上，電流是一種電子流，它以無(wú)限渦流從發(fā)電機(jī)的一極流向另一極。電路是發(fā)電機(jī)、電導(dǎo)體和消費(fèi)者（負(fù)載）之間的物理連接。為了保證電子的循環(huán)通過(guò)，一些條件是必不可少的：

發(fā)生器必須產(chǎn)生足夠數(shù)量的電子。

負(fù)載必須正常工作且不會(huì)中斷。

電線必須是良好的電流導(dǎo)體，通常由金屬（銅或鋁）制成。

事實(shí)上，電子更喜歡金屬能夠繼續(xù)前進(jìn)。為了更好地理解電路的概念，可以將其與液壓系統(tǒng)進(jìn)行比較，如圖 3 所示。電流和水之間的比較實(shí)際上使概念和支配這兩個(gè)元素的規(guī)律很簡(jiǎn)單。它們非常相似。

我們可以看到：

電壓發(fā)生器，允許電路中的電子運(yùn)動(dòng)

A負(fù)載（燈、LED、電機(jī)）

限制電子通過(guò)的電阻器

電纜

如果僅斷開(kāi)這些元件中的一個(gè)，則不再有電子通道，并且電路打開(kāi)。

打開(kāi) LED

LED 是一種通過(guò)允許特定數(shù)量的電子通過(guò)而產(chǎn)生光子（光）的設(shè)備。電流不是一個(gè)任意的概念，所有參數(shù)都必須使用基本的數(shù)學(xué)程序來(lái)確定。接下來(lái)的實(shí)驗(yàn)非常安全，并解釋了一些基本的電子概念：

電壓的正確極性

限制電流

電路的連續(xù)性

因此，我們需要以下材料：

4.5V 扁平電池

一個(gè) 180Ω 電阻器

一個(gè)紅色 LED

與鱷魚(yú)的三根連接電纜

如您在上圖中所見(jiàn)，建立了以下連接：

將紅色電纜連接在電池正極和電阻一端（后者未極化）之間。

在電阻的另一端和 LED 的陽(yáng)極之間連接橙色電纜（可以通過(guò)主體底部的圓形部分識(shí)別）。

將黑色電纜連接在 LED 的陰極（從機(jī)身底座的扁平部分可以識(shí)別）和電池的負(fù)極之間。

如果連接正確完成，LED 會(huì)立即以正常亮度亮起。如果電池或 LED 的方向接反，則不會(huì)亮起?，F(xiàn)在拆下電阻器并將兩條自由線連接在一起。去除該組件會(huì)導(dǎo)致大量電子流向 LED，沒(méi)有任何限制。在實(shí)踐中，給電路供電會(huì)導(dǎo)致 LED 燒壞，這可能會(huì)被扔掉。在下一部分中，您將了解如何選擇正確的電阻值。第一個(gè)測(cè)試旨在開(kāi)始逐步使用電流并了解電子流動(dòng)的方向。該系統(tǒng)與水的系統(tǒng)完全兼容，因此您可以將電子所遵循的路徑想象為由管道、接頭、瓶頸和其他元件組成的液壓回路。

如何打開(kāi)兩個(gè) LED

下一步是涉及打開(kāi)兩個(gè)或多個(gè) LED 的步驟。事實(shí)上，這是一個(gè)非常簡(jiǎn)單的操作，但要正確執(zhí)行它，必須遵守幾條規(guī)則。要遵循的解決方案可能會(huì)有所不同。因此，讓我們開(kāi)始探索正確的方法來(lái)照亮以下示例中的兩個(gè) LED。不考慮涉及使用兩個(gè)電池、兩個(gè)電阻器和兩個(gè) LED 的簡(jiǎn)單解決方案，以下是可行的替代方案：

LED 并聯(lián)

LED串聯(lián)

這兩種方法決定了電流在電路中的流動(dòng)方式，就像水網(wǎng)一樣（參見(jiàn)圖 4 中的兩種解決方案）。讓我們嘗試了解這兩種方法是如何工作的。將在以下分期之一中檢查各種組件的計(jì)算。

圖 ：兩個(gè) LED 并聯(lián)和串聯(lián)。

兩個(gè)電路都有點(diǎn)亮兩個(gè) LED 的目的，但模式以不同的方式發(fā)生。讓我們看看如何。在左邊的電路中（并行），從堆棧中出來(lái)的電子流隨機(jī)走兩條不同的路徑，沒(méi)有特定的規(guī)則：

一個(gè)流遵循第一條路徑，該路徑為電阻器 R1 和 LED D1 供電。

另一個(gè)流程遵循第二條路徑，該路徑為電阻器 R2 和 LED D2 供電。

在二極管之后，兩個(gè)電流會(huì)聚在與地面相同的路徑上，返回到樁并重復(fù)該過(guò)程。在右側(cè)的電路中（串聯(lián)），從堆棧出來(lái)的電子流依次通過(guò)電阻器 R3、LED D3 和 LED D4。在這兩個(gè)示例中，二極管都正常點(diǎn)亮。改變的是電路的類(lèi)型。讀者目前只注意到，在第一個(gè)示例中，電阻器 R1 和 R2 的阻值為 180 Ω，而在第二個(gè)示例中，電阻器 R3 的阻值僅為 47 Ω?，F(xiàn)在足以了解電阻值越低，通過(guò)電路的電子流量越高?，F(xiàn)在必須了解的是電路中電子循環(huán)的重要性。具體來(lái)說(shuō)：

如果電路的所有組件都正確連接，則它工作正常并且存在“閉合電路”。

如果電路的至少一個(gè)組件斷開(kāi)或有缺陷，則它無(wú)法正常工作并且存在“開(kāi)路”。

按照慣例，電子僅沿一個(gè)方向移動(dòng)，即從正極到負(fù)極。任何中斷都會(huì)中斷這個(gè)流程，實(shí)際上，這個(gè)流程非?？臁Ｊ聦?shí)上，它們?cè)谝幻腌妰?nèi)行駛了大約 300,000 公里。質(zhì)量（或地球）的符號(hào)表示在這個(gè)電氣分支上，有一個(gè)0V的電壓。在并聯(lián)電路中，兩個(gè)分支是完全獨(dú)立的。如果我們斷開(kāi)一個(gè)電阻器（例如，R1）或一個(gè)二極管（例如，D1），甚至通過(guò)將其倒置來(lái)反轉(zhuǎn)其極性，另一個(gè)分支將繼續(xù)工作而不會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。然而，在串聯(lián)電路中，情況并非如此。兩個(gè) LED 依賴(lài)于相同的電流，因此移除電阻 R3 或兩個(gè) LED（D3 或 D4）之一即可中斷電路的運(yùn)行。通常，照亮圣誕樹(shù)的燈是串聯(lián)的。一個(gè)燈泡燒壞就足以使整個(gè)電路無(wú)法使用。

練練練練

在成人的幫助下，嘗試創(chuàng)建交通燈的原型，如圖 5 所示。它是一個(gè)由三個(gè) LED 組成的電路，每個(gè) LED 與相應(yīng)的 180-Ω 電阻并聯(lián)連接。與之前的接線圖不同，這個(gè)接線圖顯示了三個(gè)開(kāi)關(guān)的存在，它們?cè)试S每個(gè) LED 獨(dú)立打開(kāi)和關(guān)閉。三個(gè) LED 的顏色顯然必須是紅色、黃色和綠色。組裝非常簡(jiǎn)單，最有趣的是玩具可以在家里自己組裝，保證樂(lè)趣。如果最終的美學(xué)外觀完成得很好并且質(zhì)量上乘，那么所取得的結(jié)果會(huì)更好。

圖：紅綠燈接線圖及接線

結(jié)論

重要的是不僅要仔細(xì)閱讀這篇文章，還要通過(guò)嘗試不同的電氣和電子電路將這些概念付諸實(shí)踐，即使這意味著犯錯(cuò)誤并再次嘗試。盡管這些電子電路沒(méi)有風(fēng)險(xiǎn)，但最好在成年人的幫助下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

審核編輯：湯梓紅